【摘 要】 在移动机器人的领域中，轮式移动机器人因为结构简单、驱动和控制非常方便，工作效率高等等优点被应用于越障的工作当中。然而，一般常用的移动结构为四轮驱动，动力不是很足，并且越障能力差；各种零件之间的组装和拆卸十分繁琐，不同部分管理混乱，电池等器件暴露在外边，容易短路等安全隐患。全地形机器人可以用于各种地形的资源探测，险恶地形的灾难救援等，具有广泛的市场应用前景、重要的研究意义和开发价值。本文研究的全地形机器人采用六轮驱动，前轮采用悬挂式系统和差速转动方式，从而达到在各种地形中(如爬楼梯，爬斜坡，过草地，过坑洼地形等 )自由行走和优秀地完成越障以及在极其恶劣的环境中行走的目的。
【关键词】 六轮驱动;全地形;寻迹;智能机器人
中图分类号： Ｇ64 文献标识码： Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2019）09-048-02
1 引言
随着智能机器人技术的不断向新的领域拓展，其学科范围亦将更加宽阔，同时智能机器人将不同的学科知识综合，使得人们在学习和研究的过程中综合各个学科。智能机器人在人类的生活和工业生产中将会发挥很大的作用。
移动机器人一直是机器人研究领域的一个研究热点。国内外学者从移动机构、运动控制、环境感知、导航定位、机器人视觉、路径规划以及智能行为等方面对移动机器人进行了大量研究，取得了丰硕的理论成果，并获得不少成功的应用。但是，在以往的研究中，考虑室内环境、具有结构化的运动环境和地形平坦的情形较多，地形因素对机器人移动性能的影响相对较小或者可看成一种被动的环境扰动，研究者关注的重点在于机器人本身。随着移动机器人应用领域的扩展，比如安全与搜救机器人、野外作业移动机器人、深空探测机器人、军事机器人等，机器人所处的环境可能是一个未知或不完全可知的危险环境，既有岩石，又有坑洼，而且也可能是松软地形，地形崎岖不平，地质条件复杂，在这种室外非结构化环境下移动时，环境地形的复杂性给机器人的移动性能和地形可通过能力带来很大影响，机器人可能发生滑移、倾翻等，使得机器人无法完成预定任务，甚至给机器人本身造成危险。为了区别于普通的移动机器人，把这种非结构环境下考虑地形影响的移动机器人称为复杂地形移动机器人(rough terrainmobile robot)或全地形移动机器人(all-terrain mobile robot)。
2国内外现状及发展趋势
全地形机器人已有突出发展，国内对于多轮驱动车辆有深入的研究，同济大学研究了四轮毂[gǔ]电驱动车春晖三号，此车功率小，无法满足全地形需要；清华大学在BJ2023吉普车基础上进行改造和升级，研制出了独立驱动车；装甲工程学院研发了八轮全道无人驾驶车；中兵光电研发了八驱动车以柴油作为动力源，可以实现原地转动，但未采用悬挂系统结构，通过力受限。履带式机器人凭借其地形适应性备受青睐，但是转弯时，履带磨损，且开模难度大成为其应用的瓶颈；轮式全地形机器人克服了履带的这些缺点，在满足地形适应性的前提下，可以发挥轮式机器人移动灵活，控制简单的特点。
3功能性及非功能性需求分析
（1）功能性需求分析
本文所涉及的这款全地形机器人要实现在各种地形中很好的行走和选择性避障，在室内，通过硬地、阶梯、上下坡、弯道和完成负重行进；在室外，通过草地、泥地、上坡和下坡和复杂地形。因此，在机身设计上要做到动力足，机身轻巧，利于跨过障碍。在规划路径的情况下，能沿着黑线行走，碰到高于机身的障碍能够绕行。
（2）非功能性需求分析
由于在恶劣环境中行走，机器人的电源，传感器不应该暴露在外界环境中，所以在机身应设计一个空间舱，用来盛放重要的线路和电源。各部件零件的连接应该做到坚固和稳定。
4结构设计
（1）设计目标和相关参数
如表一所示，全地形机器人的设计目标参数：
（2）驱动模式设计
相比于传统四轮驱动，并且在同样的轮胎直径和前后轮轴距下，改进的六轮驱动增加了中部驱动（也起到支撑的作用），对机器人底盘的限制更小。当机器人前轮通过凸起时，机器人重心后移，不易翻车，中轮和后轮提供牵引力推着车身向前行进，更容易跨过障碍；当机器人后轮通过凸起时，重心前移，前轮和中轮提供牵引力拉着机器人行进。当机器人前轮通过凹槽时，后侧两排轮子提供支撑作用；中轮通过时，前后两排轮提供支撑；后轮通过时，前中两排轮提供支撑作用。六轮驱动提供更强大的牵引力和翻越凸起和凹槽时更强大的通过性，六轮驱动机器人越过凹槽的能力为相邻两轮的距离L，四驱机器人最大越过凹槽的宽度为轮胎的直径D，很显然L>D，因此在相同前后轮轴距离下，六轮结构比四轮结构具又更好的通过凸起和凹槽的能力(如图3所示)。
（3）转向模式设计
转向模式决定了车体结构和机动性能，广泛应用的轮式车转动方向为Ackerman连杆和滑移转向，传统的全地形机器人多采用四驱模式，采用基于Ackerman连杆的前轮转向方式，此结构具有比较高的稳定性和操控性，转向功率损耗较小，多应用于机动车，但是转向伴随前向位移，这就限制了机动性，不能原地转向从而在特殊环境下通过能力有限制；多连杆结构决定了单体连杆强度低，结果造成Ackerman连杆机构容易损耗的缺点。对于六轮驱动结构，使用基于Ackerman连杆式转向结构过于复杂且结构强度较低，所以在恶劣环境中运行可靠性低。差动转向方式利用车轮转动方向和速度的不同，能够实现转弯和原地转向的效果，并且结构简单，易操作。综上分析，此全地形机器人采用了差动转向方式，就能很好的完成制定功能。
5.系统模式设计
机器人由机械部分，传感部分，控制部分三大部分组成。机械部分在上文已经详细介绍，无驱动的车身已基本实现。传感部分包括驱动系统、机器人-环境交互系统传感器的安装位置。
驱动系统：要让机器人运动起来，需要加电机，电机分为直流电机和舵机，本文所需要的驱动硬件用直流电机就能达到目的。
机器人-环境交互系统：实现机器人遇到各种外部环境会做出相对应的反应，包括遇到跨越不了的障碍如墙壁等能采取对应动作绕道而行；遇到有路径规划的地形标记时能寻迹前进。
传感器安装位置：一是白标传感器的位置，二是触须传感器的位置。考虑到寻迹时白标传感器要贴近地面才能测量准确，白标传感器的位置安装在车身底部。白标传感器是一种红外传感器，可直接检测黑色背景下的白色标记，TTL信号控制，低电平触发。在电源舱前侧分别安装两个白标传感器用来寻迹作用。触须传感器触须传感器由TTL信号控制，低电平触发，模拟昆虫触角的外观效果，这个传感器的位置安装在车身顶部靠近前排车轮的位置。在机器人的左右两端分别放置一个触须传感器，用于对跨越不了的障碍的检测。
控制系统：控制系统是机器人的大脑，由控制板指挥机器人的各种动作以及处理从传感器反馈回来的信息，支配机器人去完成指定的动作和功能。
6.测试
（1）结构测试
在室内，测试了复合式移动机器人过硬地、阶梯、弯道、爬坡、沟壑，并测试了的载物能力。在室外，测试了机器人过泥地、草地、瓦砾和复杂地形地段(如图2所示)；经过多次测试，机器人的结构能很好的在这些情况下很好的运行。
（2）程序测试
移动机器人的程序部分能完美地烧进控制板，在实际地形测试中能结合机身结构更好的发挥功能效果，寻迹功能已实现，在过弯道时触须传感器能发挥功能，机身流畅通过隧道。
在测试寻迹功能和避障功能时，传感器的位置和移动机器人的速度是调试的关键，选好传感器的位置，调到合适的速度才能保证移动机器人能够更优秀的完成这些功能。经过多次实验发现，触须传感器的触须应超过前排轮子，在轮子还未碰到障碍物时就能通过触须提前感知，做出避障动作；白标传感器对离地高度的要求比较严格，太近和太远都会不能识别颜色，并且对光亮也有一定要求，亮度太低也不能识别颜色，此外白标传感器的识别需要移动机器人速度的配合，速度适当慢一点才能更容易配合传感器的识别，在实验过程中通过对左右轮速度的控制实现合适的转弯角度。
本文的复合式移动全地形机器人根据实际生活中的各种地形以及可能存在的障碍而设计的，室内主要有凹凸不平的地面、上下坡、楼梯和弯道。通过对地形的分析以及从已知机器人的结构和功能出发，通过对全地形机器人结构和系统设计分析，对零件和传感器进行组装，选择此种基本结构和系统组成方式，经过一系列测试可以看出性能较传统移动机器人高出许多，此机器人基于六轮独立驱动模式结合悬挂式系统和差动转向模式比传统四轮驱动具有更好的通过能力和地面适应能力。为在未来复杂地形中进行作业提供了平台和模型。但基于滑动转向的结构会带来较大的转向阻力和功耗，尤其是在泥泞和松软的地面进行原地转向时摩擦阻力更大，容易造成部分下陷从而失去行进能力，因此还需进行分析、测试和改进。另外，这种全地形机器人是无人操作的机器人，本文用到的是充电电池，但由于充电电池电量有限，电量大的电池体积大，如果能用太阳能发电板的话既能环保又能源源不断的提供电量。
程序设计方面加入白标传感器和触须传感器，实现了寻迹和选择性避障功能，能让复合式移动机器人沿黑标行走和流畅的通过弯道，但是寻迹有局限性，只能寻直线行走，仍需进一步研究。总的来讲，达到了预期的效果。
参考文献
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作者简介：
张静（1980-），女，河北石家庄人，副教授，硕士研究生，主要从事图像处理与模式识别方面的研究。
论文作者:张静 滑斌杰 呼洪强
论文发表刊物:《科学教育前沿》2019年09期
论文发表时间:2019/12/2
标签：机器人论文; 地形论文; 传感器论文; 结构论文; 触须论文; 环境论文; 功能论文; 《科学教育前沿》2019年09期论文;